基于PLC的新型海洋環境模擬試驗機控制系統設計

童慧芬，張顏艷，劉 偉，鄭森偉

船舶密封裝置是船舶軸系的主要部件之一，其性能的好壞直接影響到船舶的正常營運和經濟型。同時，對防止船舶污染水域、保護環境起著十分重要的作用[1]。目前海洋用材料的腐蝕試驗主要是在海岸線附近的海洋環境腐蝕試驗站進行實海試驗，但是實海試驗掛樣取樣試驗需要耗費大量的人力、物力和財力，并且存在著試驗周期長、試驗數據離散性大、不便于實時觀察和定量測驗等缺點[2]。因此本文介紹了一種新型海洋環境模擬試驗機的控制系統，它綜合考慮海洋環境的多種因素、密封裝置的開關次數等，對船舶及海洋工程用緊固密封件進行可靠性壽命試驗。

1 試驗機的結構及工作原理

試驗機主要模擬海洋環境，用于檢測海水的溫度、鹽度、PH值以及陶瓷閥芯的壽命（即不漏水的最大開關次數），需要控制的因素有海水溫度、水循環、陶瓷環的開閉并計數等，其結構如圖1所示。試驗機的試驗介質為海水溶液，因其具有較高的鹽度、腐蝕性、流動性，并且考慮到成本因素，試驗機的主要過流元件及水箱均采用316不銹鋼，力保設備長期運行，間歇運行等不同工作狀態下的可靠使用壽命。

圖1 海洋環境模擬試驗機的結構圖

試驗機原理為：由水箱裝盛海水溶液，經壓力泵調壓，通過恒壓變頻系統給定所需的恒定水壓，經機械手自動控制陶瓷閥芯開關水源，出水至水槽，水槽中海水溶液再回至水箱循環使用。

工作時，采用傳感器技術，將測試過程所要調整及檢測的溫度、陶瓷閥開關次數等參數自動實時采集，并顯示在控制面板上。在控制面板上，可設定溫度，當終止測試重新更換試件（或重新裝夾），重新記錄動作次數。

在壓力方面，采取變頻恒壓供水系統。由于陶瓷閥芯需要頻繁地開關，具有較高的壽命，故測試系統的壽命執行驅動元件也應具有很高的壽命，這里采用機械手設計方式完成對陶瓷閥芯的開關動作。陶瓷閥芯的開關次數通過計數器計數且顯示出來。

水箱設計成雙層結構，設置有加熱棒，加熱棒固定在水箱底部的位置，為了實現海水溫度的自動控制，試驗機設置有溫度傳感器和電氣控制箱，感應探頭伸入到水箱的容室中。溫度傳感器通過導線連接電氣控制箱，一方面接收電氣控制箱提供的電源，另一方面將檢測到的海水溫度傳送給電氣控制箱。電氣控制箱中設置有控制器，將接收到的溫度檢測信號與設定值進行比較、控制。

2 控制系統設計

新型海洋環境模擬試驗機控制系統的主要任務是根據工作要求，對設備進行協調控制，控制內容主要包括：海水的溫度、進水時間、氣缸下降時間、陶瓷閥的開閉次數等。本設備控制系統以PLC為核心，主要由電動機、變頻器、觸摸屏、氣缸、電磁閥、傳感器等組成[3]。

2.1 系統硬件設計

從輸入和輸出點的數量和設備經濟適用的角度考慮，選用DVP32ES200R臺達PLC，該型號PLC高于同級別PLC處理速度，針對大程序容量，提高高效率處理能力，共有32個輸入和輸出，能夠滿足設計要求。變頻器選用臺達VFD022S21D，實線對水泵電機的無極調速，使得在反復啟動水泵電機工作時，電動機速度上升、下降和停止均比較平穩。繼電器選用型號為歐姆龍，溫度傳感器選用北京星儀CWDZ18，水泵選用浙江南元泵業立式多級離心泵SDL4-120LSWLC，氣缸選用臺灣亞德客氣缸GFR200-08.

2.2 電氣控制線路設計

在設備控制系統中，PLC是控制系統的核心，各種開關、傳感器都與PLC的輸入端相連接，電磁閥、接觸器等電氣元件與PLC輸出端相連。設計該控制系統的主電路電氣控制線路原理圖如圖2所示。根據控制要求，分配PLC的I/O地址，其外部接線圖如圖3所示。

圖2 主電路電氣控制線路原理圖

圖3 PLC外部接線圖

2.3 系統軟件設計

相對于其他自動化加工設備，新型海洋環境模擬試驗機的控制比較簡單，其控制流程圖如圖4所示。

圖4 PLC控制流程圖

3 結束語

本文根據新型海洋環境模擬試驗機的工作原理和已設計的機械結構，對控制系統的硬件進行選型，繪制了主電路電氣控制線路原理圖和外部接線圖，并確定PLC的控制流程圖，實現新型海洋環境模擬試驗機的自動控制，調整參數方便，模擬某些環境因素的變化，對相關領域的控制設計具有一定的參考價值。

[1]陸金銘.介紹國外幾種船用艉軸密封裝置[J].武漢造船，2000（1）：34-36.

[2]王受和，江 魯，王 俊，等.海洋環境腐蝕模擬試驗裝置的優化設計與研制[J].環境技術，2014（1）：55-62.

[3]周 琦，孫 移.基于PLC的鋁合金型材切割機控制系統設計[J].機械設計與制造工程，2017，46（6）：55-58.